增材制造技术具有近净成形、成形零件复杂度高等特点,是当前复杂精密金属零件一次性整体成形最具前景的应用技术之一。它突破了传统制造技术对结构尺寸和复杂程度的限制,为大型复杂整体轻量化结构的制造提供了变革性技术途径。目前,应用于增材制造的金属材料主要包括Ti合金、Al合金、Ni基高温合金等。其中,Ti合金因具有高比强度、高比刚度、优异的成形性、良好的热稳定性和断裂韧性等优异的综合性能,在增材制造技术的用量越来越大。然而,现用于增材制造的Ti合金,通常是已有的工业合金,并没有考虑到增材制造工艺的特殊性,从而严重的制约了增材制造Ti合金的发展。本文首先运用团簇加连接原子模型,揭示了在增材制造中应用最广泛、技术成熟度最高的Ti-6Al-4V合金的成分根源,并以此获得了 α-Ti和β-Ti合金的团簇成分通式。其次,由于共熔（Congruent）合金具有高的熔体和固体结构相容性,适用于增材制造,引入团簇加连接原子模型初步探索了共熔合金的成分规律。最后,在Ti-6Al-4V合金团簇式的基础上,设计了适用于增材制造的多组元高强、高塑性α+β-Ti合金。进而,在α-Ti团簇式的基础上,设计了适用于增材制造的高温近α-Ti合金。具体结论如下:（1）Ti-6Al-4V合金作为应用最为广泛的Ti合金,受制于近程序模型的缺失,人们一直未能理解Ti-6Al-4V合金背后的成分根源。本文通过将α和β相的团簇式视为等效硬球,利用团簇共振模型揭示了其团簇式。首先,将不同退火温度后的α和β相成分分别转换成16和18原子的整数成分式,由相图杠杆定律,确定出两相的理想团簇结构单元及其比例,即α-[Al-Ti12]（AlTi2）:β-[Al-Ti14]（V2Ti）≈2.34:1,式中方括号和小括号部分分别代表团簇和连接原子。然后,把两个结构单元看成两个半径不同的硬球,构建硬球堆垛模型,类比于原子共振理论,计算出一个堆垛单元含有17个硬球,唯一确定了两个结构单元的比例为12:5。因此,理想合金成分为Al10.28V3.55Ti86.18（at.%）=Ti-6.05Al-3.94V（wt.%）。由于α和β相的原子密度几乎相同,根据Ti-6Al-4V团簇式计算出α和β相的体积分数分别为67.5%和32.5%。最后,我们发现α和β单相团簇式分别对应于高 温 近 α-Ti 和 高 强 韧 β-Ti 合 金,如 Ti-1100 满 足[Al-（Ti0.97Zr0.03）12]（（Al0.67Si0.12Sn0.18Mo0.03）1.01Ti1.99）,Ti-5553 满 足[Al-Ti14]（（Al0.24Fe0.03Cr0.20Mo0.18V0.35）2.45Ti0.55）。Ti-6Al-4V 合金团簇式的解析为理解所有 Ti 合金的成分奠定了理论基础。（2）运用团簇加连接原子模型初步探索了共熔合金的成分规律。首先,提出了共熔合金的双团簇式模型,包括如下假设:共熔熔体结构单元由两个化学近程序结构单元构成,每种结构单元均满足[团簇]（连接原子）3。例如,基于面心立方固溶体的Au56Cu44（at.%）共熔合金,两种结构单元源自于Au3Cu和AuCu有序相,分别为[Cu-Au12]（Cu3）和[Au-Cu8Au4]（Au3）,Au56Cu44（at.%）共熔合金的双团簇式可视为4[Cu-Au12]（Cu3）+14[Au-Cu8Au4]（Au3）（Au55.56Cu44.44,at.%）。基于双团簇式分析了所有固溶体共熔合金,以此提出了一种描述共熔合金成分的新方法,有望支撑适用于增材制造合金的成分设计。（3）利用团簇成分式设计了适用于增材制造的α+β-Ti和高温近α-Ti合金。为进一步提升Ti-6Al-4V的强度和塑性,基于Ti-6Al-4V合金团簇式12[Al-Ti12]（AlTi2）+5[Al-Ti14]（V2Ti）,通过添加Mo和Nb元素替代V,对Ti-6Al-4V合金进行了成分优化。结果表明,Nb/V共同合金化的12[Al-Ti12]（AlTi2）+5[Al-Ti14]（V1.6Nb0.4Ti）沉积态（Ti-6.01Al-3.13V-1.43Nb,wt.%）合金,强度与Ti-6Al-4V相当,延伸率提高了 30%,且液-固两相区宽度较小,实验证实其具有较好的增材制造工艺性。基于α-Ti团簇式[Al-Ti12]（AlTi2）,通过 Zr/V/Mo/Nb 共同 替代部分 Ti 的合金化,获得的[Al-Ti11.43Zr0.57]（Al0.93V0.34Mo0.17Nb0.06Ti1.5）（Ti-6.83Al-2.28V-2.14Mo-0.69Nb-6.79Zr,wt.%）合金,在600℃高温下,抗拉强度可达642 MPa,延伸率可达40%,均超典型高温Ti合金 Ti-1100。